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硅基氮化镓的投资思考

发布时间:2022-03-17作者来源:萨科微浏览:223

01

国内氮化镓赛道的投资价值
          一、氮化镓赛道的投资价值    第三代半导体的材料特性带来其对硅基功率器件部分市场的逐步替代,这一点不断通过市场应用的验证,已基本成为共识。   相比碳化硅,目前硅基氮化镓的主要劣势包括耐压等级低和缺乏可靠性的验证数据。另外,由于硅基氮化镓整体产值低,尚未形成规模效应,导致成本相比碳化硅并没有形成优势。   但目前硅基氮化镓厂商正在通过外延、器件结构、驱动控制电路推动产品向高耐压(目前已有1200v的产品)和高可靠性(目前已有高压器件的理想可靠性数据)不断演进,且氮化镓器件的售价已经逼近硅MOS,产品性能、品质、成本不断逼近甜蜜点。   另外,相比碳化硅, 硅基氮化镓材料本身可以提供更高的电源效率和更低的成本,在600V至1200V区间,硅基氮化镓会成为非常具备竞争优势的技术方向。   另外, 随着碳化硅在汽车、光伏市场的不断应用,国内外动不动几十亿甚至上百亿产值的投资,直观感受感觉碳化硅的市场规模很大,而用于小小充电头的氮化镓感觉市场规模要小很多。 根据Yole发布的数据,2025年碳化硅的市场规模为25亿美金,2026年氮化镓市场规模预测数据为10亿美金,乍一看确实碳化硅的整体产值确实是氮化镓的好几倍。    但碳化硅和硅基氮化镓对于国内大部分企业的机会产值实际相当:   一是考虑衬底的产值。成本结构不同,没有衬底环节的碳化硅企业机会产值大打折扣。 碳化硅衬底的成本约50%,外延片的成本约20%,器件制造封测的成本是30%。而氮化镓的衬底成本基本忽略不计,外延50%,剩余的器件产值比例更高。    二是考虑车规的产值。市场需求不同,碳化硅重在车规,氮化镓重在消费。根据Yole发布的数据,预计2025年电动汽车市场需求占比约为61%。根据Yole的数据,氮化镓的市场需求中消费级占比约为70%。目前看,国内碳化硅厂商在车规市场实现大规模的应用还有较长的路需要走。   三是考虑MOS的产值。 国内碳化硅企业,目前还主要集中在SBD的市场,MOS尚鲜有出货。 根据Yole发布的数据,2022年后MOS的产值将占到一半以上,随着后期市场主要由电动车推动,MOS的比例还将继续提高。 但 由于碳化硅MOS本身可靠性和工艺来源的问题,国内厂商距离放心大胆开展大规模推广应用,还有较大的难度。   综上所述,国内碳化硅企业若刨除衬底材料、车规市场、非车规MOS所对应的产值,其机会产值和硅基氮化镓相比,实际并没有太大区别。叠加氮化镓和碳化硅30%和70%的市场增速,硅基氮化镓从行业规模的角度是一个很好的赛道。   肌肉男碳化硅和闪电侠氮化镓的重点分别在工业和消费级市场(总体来看),品质要求、市场定价、市场导入周期的不同这里不详细展开, 但整体来看,主攻消费级的应用的氮化镓,市场弹性会更高一些。   另外,由于碳化硅功率的发展阶段相对成熟,国内从衬底、外延、器件制造、或者是IDM,基本都有了相对公认的那么几家优质企业,留给创业者的机会窗口要小了一些。  
  二、国内氮化镓企业的机会和优势
  (一)“高增速+高集中度”,给新参与者带来机会   根据Yole发布的数据显示,2020整体市场规模仅有4600万美金,2026年预计增长到11亿美金,2020年至2026年GaN功率器件市场将保持70%的增速,6年23倍。如此高的行业增速,直接带来的问题氮化镓器件的供应链稳定性如何保障。目前全球主要出货厂商Navitas和Pi两家占到了全球70%以上的市场份额,国内品牌厂商主要采用其中一家的氮化镓充电方案。   短期看, 上游的供应链高度集中,对于大型的品牌电源客户分散供应链风险是刚性需求;长期看,对比目前硅基MOS CR5 65%的市场份额,目前氮化镓的市场集中度过高,向硅基市场的格局逐步靠近,大概率是时间问题。    (二)目前国内硅基氮化镓的国内整体水准,相比硅基更有优势   2019年,国内最大的MOS和IGBT企业华润微和士兰微在全球的市占比为3%和2%,而目前氮化镓赛道英诺赛科出货量应该已经能排到第三的位置, 国内有几家氮化镓初创企业虽然出货较少,但目前整体的技术和产业资源储备在全球也占据不错的位置。   传统的功率龙头,如英飞凌和Ti的硅基氮化镓产品尚难打开局面,国内硅基氮化镓行业, 虽不说弯道超车,但我们看目前国内企业的全球地位、华人在氮化镓领域的核心人 才储备, 目前整体的进展身位 相比硅基确实好很多。   综上所述,在一个快速做大的蛋糕面前,国内企业有实力、有禀赋分走一块不小的蛋糕。       02       “集中+封闭”供应链,价值和风险
          现有供应链“集中+封闭”,造成市场由少数供给驱动
  现有供应链集中。不同于硅基产品,材料和制造环节均已非常成熟,氮化镓供应链目前通过批量验证的产能很少。国外Foundry主要包括台积电、富士通、X-Feb,国内主要有三安集成,另外有一些其他的Foundry也在布局。整体来看,国内 供应链资源非常稀缺。   现有供应链封闭。目前全球氮化镓Foundry主要产能仅服务于一家企业,设计公司和产业链呈现强绑定的关系。Navitas作为全球出货量最大的硅基氮化镓器件公司,目前基本占用了台积电全部的氮化镓产能,其他客户很难再拿到产能。   现有供应链的“集中+封闭”导致该市场的集中度非常高,Navitas、Pi、英诺赛科三家掌握核心产能供给的企业驱动着市场,品牌的电源客户也难有其他的选择。  
  供应链预计会继续集中,持续封闭   持续集中   氮化镓作为是新生技术产品,各个环节的技术发展都还处于较初级的阶段,不管是终端客户还是设计公司,对于上游的供应链都持相对谨慎的态度。由于验证过的技术才是靠谱的,因此一旦有一条完整的产业链验证成熟,设计公司和电源客户都会向该供应链条加速聚集。   作为新兴技术,整个生态相对还比较初级, 缺乏成熟的第三方外延片提供商,氮化镓外延和工艺的人才非常稀有,导致企业打通“外延+制造”的产能难度很大。 另外,一个新的供应链条的成熟需要通过出货实现稳定,还有良率的爬坡,这些都需要时间。   外延片从哪里来,目前“外延+制造”深度绑定,几家批量出货的Foundry都是自主的外延产能, 因此目前市场上并没有一家独立第三方的外延片实现过大批量的出货。 因此当看待不管是目前正在成熟的氮化镓Foundry,还是拟筹建的IDM,需要回答的第一个问题是外延的解决路径和验证时间。   工艺的人才在哪里,硅基氮化镓的工艺,需要对氮化镓材料本身的缺点具有充分的理解,这种理解建立在长时间的试错基础上,导致目前全球具备该能力的核心人员非常稀缺。目前有一些硅基背景的功率厂商开拓氮化镓的业务线,氮化镓背景的工艺人才在哪里是核心关键。   现场验证后迭代,以台积电的研发经历来看,其外延、工艺的整体研发过程都是伴随着产品应用所发现的问题,来反复推动研发的迭代,带来整个供应链的稳定。因此, 若没有充足的现场验证数据,不管是外延还是工艺,距离成熟还很远,另外还需要解决批量生产带来的良率问题。台积电作为工艺工程能力最强的企业,从开展氮化镓的研究到稳定量产花了五六年的时间,即便目前整体行业的研发基础相比前期已有了更好的进展,但是跑通上游的材料和制造环节依旧是一件难度很大的事情, 当我们看待“成熟”的外延和工艺时,一是需要有敬畏之心,二是需要有验证周期。   持续封闭   由于硅基氮化镓作为半导体代工的新兴领域,从台积电到国内的三安集成,刚启动,其氮化镓的产能规模都不大,因此一旦有一家设计公司跑出来,会占据该企业的大部分产能,且产能对订单的影响会有很强的共振效应:   设计公司出货量大→产能需求大→Foundry支持大→供应链有保障→供应链稳定性更高→客户订单需求量更大→设计公司出货量大→产能需求大······  
  投资思考, 看待一家硅基氮化镓的公司,长期稳定的上游供应链是关键。   投出货最快的Fabless,资源会加速集中,速度慢的风险很大。由于各方面的原因目前国内Fabless主要依托于国内Foundry,而国内Foundry的外延和工艺都还在逐步成熟的阶段,整体产能较小。当前,国内Fabless硅基氮化镓公司的出货量还较少,还没有哪一家对Foundry的产能具备强影响力,因此,一旦有哪家Fabless能够跑出来拿到规模订单,锁定住产能就能占据非常具备优势的竞争位置,速度慢的Fabless由于拿不到产能风险会很大。    投“外延+制造”技术经验深厚的IDM,关键是能不能做出来,做出来就是全球的稀缺资源。对于IDM来说,能跑通氮化镓的外延和制造,并满足良率、可靠性的相关要求,目前来看是很难的一件事情,这一点需要有敬畏之心。但是一旦跑通,能带来的先发优势也是非常显著的。         03       技术路线,看技术,更要看生态
          氮化镓晶体管通过两种不同禁带宽度(通常是AlGaN和GaN)材料在交界面的压电效应形成的二维电子气来导电,由于二维电子气只有高浓度电子导电,因此不存在硅MOSFET体二极管反向恢复的问题。这意味着在门极和源极之间不加任何电压情况下氮化镓晶体管的漏极和元件之间是导通的,即是常开器件。为了应对这一问题,业界通常有两种解决方案:   一是采用级联(Cascode)结构,通过串联一颗MOS来实现关断控制;二是采用单管增强型(P-GaN)结构,即在门极增加P型氮化镓外延层来实现关断控制。   两个技术路线,从技术出发评价,均存在各自的优缺点,难以一分高下。单管增强型结构的主要缺点在于栅极可靠性相对要低、耐压低,级联结构的主要缺点在寄生电感带来的Emi问题。   可靠性。不同的技术路线的栅极的耐冲击余量不同,P-GaN和Cascode的栅驱动的耐压等级大概一般约为7v和18V,栅极的开通电压一般为6v和8v,带来的直接的问题是P-GaN结构的栅极耐冲击余量仅约1-2V,对可靠性带来较大的挑战,从结构的角度来看,Cascode的可靠性相比P-Gan要高不少,也更加适用于工业级的应用。   耐压。器件耐压,Cascode由于有硅管的分压等原因,器件的耐压等级相对更高一些,目前P-GaN的器件耐压还都在650V以下,Cascode能够达到1200v,可以满足大量的工业级的电压需求。   电磁干扰。Cascode需要将硅管和氮化镓器件合封在一起,带来了较大的寄生电感,如果开启较高的频率,会导致Emi较大。   另外,工艺角度来看,Cascode和P-GaN分别需要生长一次和两次外延,Cascode的整体工艺难度相比P-GaN更低一些。从驱动的角度,Cascode驱动与传统硅MOSFET的驱动完全相同,且不用过多考虑栅极保护,相对要求更低一些。 成本的角度看,晶圆方面,Cascode由于只用一次外延,晶圆成本更低,但 整 体封装成本更 高 一些。 综合来看,由于P-GaN目前整体出货量较大 ,整体成本水平更优 。   表1  GaN器件结构优劣势对比  
类型 级联 增强
可靠性
寄生电感 敏感 不敏感
耐压
功率
工艺难度 较难
驱动难度

        从技术角度看,两者最大的区别在于级联结构暂时解决了工业级的应用问题。 由于级联结构的可靠性、耐压特性更有优势,Transphorm作为级联架构的代表去年底也发布了比较理想的高压器件失效率数据,目前看级联结构在工业级市场更有优势。单 管增强型结构,目前也在通过更精准的驱动和电源方案来提高P-GaN结构器件的可靠性,通过QST等衬底技术提高耐压等级,但技术逐步成熟还需要时间。             但是产业技术路线的发展,除了技术本身,产业的生态往往起到非常重要的作用。 整体来看,由于级联型结构Pi和Transphorm的产业链比较封闭,而更加开放的单管增强型结构的产业生态相 对更加百花齐放,目前国内外主要几家提供代工服务的Foundry走的都是单管增强型的工艺路线,下游的电源管理IC厂商绝大部分也专注于单管增强型的方案,整个生态对该技术路线相对抱团,目前看单管增强型的产业链的技术迭代、成本优化会持续加强,中短期内有望成为主流技术路线。       04       应用方案,研发资源和机会窗口
         
  氮化镓作为一个新兴技术,目前整体方案的设计和应用还是以氮化镓器件厂商来推动,也逐步出现一批电源管理IC的厂商形成以驱动和控制芯片为核心的方案。   表2  GaN主要参与者类型  
类别 代表企业 结构
GaN   主导 GaN 英诺赛科 GaN
Gan Systems GaN
GaN   +驱动控制 Pi 控制驱动GaN合封
Navitas 驱动GaN单die
电源管理主导 驱动+控制 恩智浦 LLC控制
安森美 直驱和LLC控制
GaN   +驱动 控 制 东科 驱动GaN控制合封
必易微 驱动+GaN
      氮化 镓主导和电源管 理主导公司各自的优势不同。 氮化镓器件企业主要优势: 掌握氮化镓器件的稀缺供应链资源; 氮化镓器件理解更加充分; 推出相关方案的时间更有先发优势。 电源管理芯片企业主要优势: 驱动和控制IC的设计能力; 电源方案的设计经验; ACDC合封技术能力和封装供应链资源; 原 有的电源客户渠道。
        要做好一个理想的氮化镓的方案,硅基氮化镓公司除了要把功率器件做好,驱动控制IC的技术和电源的方案也非常重要。 硅基氮化镓是一家功率公司,前期也是一家电源公司。     氮化镓方案相比硅基的方案,一是需要解决问题,如氮化镓器件栅极耐压、高频所带来的可靠性、EMI的问题;二是需要充分挖掘优势,发挥氮化镓在传统的拓扑结构中充分实现效率高、体积小的特性。   因此在整体的方案需要: 1.充分理解氮化镓器件的特性; 2. 方案层面具有很强的设计优化能力 。 两者需要互相充分理解(要很懂),在研发层面互相配合迭代(要能一体化研发),才能搞定一个好的电源方案。 通过氮化镓器件、驱动电路和控制电路的研发充分协同,输出一个好的方案。      我们看到Pi和Navitas都在内部着力于解决上述的问题,国内硅基氮化镓公司也在打造自己和电源管理IC公司的研发生态。   国内硅基氮化镓 企业如何实现功率器件和功率IC的研发协同,是否具备较强的电源方案团队储备、技术经验、深度研发合作伙伴,需要重点关注。   另外, 目 前主流的方案包括Pi、Navitas、英诺赛科三家,三家芯片的集成度依次降低,其中Pi采用了控制器、驱动器和GaN器件合封 ,Navitas采用了驱动和氮化镓器件的单die集成,英诺赛科采用的是氮化镓单管,直接带来的是三家不同的方案。 目前主流的电源厂商的方案集中于上面这三种,因此拥抱主流的方案的阻力相对较小,差异化的方案需要再自建体系。       05       题外话和结语

          目前有一些这样的观点: 一是氮化镓赛道不赚钱; 二是氮化镓技术门槛低,国内在建 产能多。    关于经济性, 待整体产值上来,各家企业的良率、产能利用率能够再上一个台阶,作为非充分竞争的市场,中短期内该赛道大概率比硅基功率更赚钱。 关于产能,目前媒体公布出来要建的硅基氮化镓产能项目不少,大家有兴趣的话可以挨个调研一下,实际有效产能有几个,且可以评估下未来两三年有希望有效的产能有几家,这里不多说了。   硅基氮化镓作为一项新兴赛道,目前能从器件到方案的技术做好,并建立一个稳定且经济的上游供应链,难度很大,这样的企业和团队也非常稀缺。  

只要能好的解决以上几个问题,就是一家很难得的硅基氮化镓的企业,不拘泥于商业模式、不拘泥于企业背景、不拘泥于晶圆尺寸、不拘泥于外延和器件的技术路线。



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